CN110068288A - 一种激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置，其包括控制器，控制器与激光器电连接，激光器输出端对应方向依次设置有半反半透镜、棒形透镜和可旋转的多角反射镜，多角反射镜与控制器电连接，多角反射镜相邻位置处设置有平面反射镜，平面反射镜与光电二极管相对并呈倾斜布置，光电二极管与控制器电连接；控制器与高速相机电连接。本发明能够解决现有技术中三维测量的条纹投射速度和稳定性不足的问题，结构简单可靠、可调节性强、检测速度快。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置。
背景技术
随着现代精密测量技术的不断发展，三维测量技术在医疗、考古、工业设计、虚拟现实等领域的需求日益增加。与之相对应，对三维测量技术的精度与速度也提出了更高的要求。
三维测量技术中，依据检测方式包括接触式测量与非接触式测量。接触式测量通过探针结合运动机构扫描进行检测，然而由于探针容易对检测物体造成损伤而限制了应用范围。非接触式测量技术通过光学、声学等方式进行投射，并接受经待测物体调制后的信息获取三维形貌，近年来，非接触式测量以其测量速度快，测量精度高，易自动化处理等优点获得了广泛的应用。
现行的非接触测量方法有立体视觉测量法、干涉测量法、结构光测量法等。其中，立体视觉测量通过多幅二维强度图像的计算机立体视觉重构，根据被测空间点在不同位置所拍摄的像面上的相互匹配关系，通过特征提取、匹配、重建、三角化及融合等步骤，恢复生成目标物体的三维结构信息。然而此类方法系统结构与算法复杂、处理速度慢，不能达到三维测量中方便、快捷与高精度的要求。
干涉测量法的基本原理是运用物波波前和参考波前发生干涉产生干涉条纹，从干涉条纹的变形情况判读出被测物的几何形状，此类方法是常用的高精度、高分辨力测量方法之一，但是其对测量环境的要求非常高，系统测量稳定性易受到光学散斑、震动、湿度、气压以及温度等因素影响。
结构光法通过主动投射光场，经被测物体调制后由CCD等传感器接收，然后从携带有三维面形信息的观察光场中解调得到三维结构信息，此类方法测量速度快，测量精度高，在工业检测，产品设计中有较大的应用前景。
然而随着三维测量技术要求的不断提高，现有的结构光投射技术由于硬件结构设计限制在投射速度已经渐渐难以满足高速动态场景领域的应用，从而影响三维测量的检测速度，因此，为了有效提高三维测量的检测速度，有必要提出一种能消除上述缺陷的结构光投射装置。
发明内容
本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中三维测量的条纹投射速度和稳定性不足的问题的激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置。
为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：
提供了一种激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置，其包括控制器，控制器与激光器电连接，激光器输出端对应方向依次设置有半反半透镜、棒形透镜和可旋转的多角反射镜，多角反射镜与控制器电连接，多角反射镜相邻位置处设置有平面反射镜，平面反射镜与光电二极管相对并呈倾斜布置，光电二极管与控制器电连接；控制器与高速相机电连接。
上述技术方案中，优选的，激光器包括红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器，红色激光器输出端与半反半透镜相对应，绿色激光器和蓝色激光器的输出端与第二半反半透镜相对应。
上述技术方案中，优选的，绿色激光器和蓝色激光器相互垂直布置，绿色激光器和蓝色激光器的输出端对应方向在第二半反半透镜位置处相交。
上述技术方案中，优选的，半反透镜与第二半反半透镜平行。
上述技术方案中，优选的，蓝色激光器的输出端与半反半透镜、第二半反半透镜、棒形透镜的中心位于同一直线上。
上述技术方案中，优选的，红色激光器与半反半透镜间设置有第一聚光透镜，绿色激光器与第二半反半透镜间设置有第二聚光透镜，蓝色激光器和第二半反半透镜间设置有第三聚光透镜。
上述技术方案中，优选的，平面反射镜位于光电二极管和多角反射镜之间的位置处。
上述技术方案中，优选的，控制器为高速控制电路。
上述技术方案中，优选的，多角反射镜中部套设有转轴，转轴通过伺服电机与控制器电连接。
本发明提供的上述激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置的主要有益效果在于：
本发明通过激光器与可旋转的多角反射镜配合，突破了传统基于数字光投射仪技术测量固定投射频率与线激光扫描测量机械移动激光器速度慢的限制，提高了三维测量中条纹投射速度。
通过激光器发射激光，经半反半透镜、棒形透镜和多角反射镜后，分别投射到平面反射镜和待测物体上，投射到平面反射镜上的激光由光电二极管接受并反馈给控制器，由于多角反射镜处于运动状态，当多角反射镜处于特定角度时，投射到待测物体上的激光形成扫描条纹经待测物体调制后能由高速相机采集获得。通过多角反射镜主动旋转，使待测物体表面任意一点、多角反射镜和高速相机之间在特定时刻均能形成三角关系，从而保证高速相机采集的条纹为正弦条纹并且保证正弦条纹的基本傅里叶频谱存在，进而保证三维测量的稳定性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是控制器与条纹参数和各部件的逻辑关系示意图。
图3是单色激光条纹调制时间与扫描得到的投射条纹关系图。
其中，1、控制器，2、激光器，21、红色激光器，211、第一聚光透镜，22、绿色激光器，221、第二聚光透镜，23、蓝色激光器，231、第三聚光透镜，3、半反半透镜，31、第二半反半透镜，4、棒形透镜，5、多角反射镜，51、平面反射镜，52、转轴，6、光电二极管，7、高速相机，8、待测物体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，其为激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置的结构示意图。
本发明的激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置包括控制器1，控制器1为高速控制电路，如FPGA电路。可选的，控制器1的型号为XC5VLX330T。
控制器1与激光器2电连接，以调节激光器2的开关频率；激光器2输出端对应方向依次设置有半反半透镜3、棒形透镜4和可旋转的多角反射镜5。多角反射镜5中部套设有转轴52，转轴52通过伺服电机与控制器1电连接。通过设置伺服电机和转轴52，使得多角反射镜5能以设定速度快速转动。
具体的，激光器2包括红色激光器21、绿色激光器22和蓝色激光器23，红色激光器21输出端与半反半透镜3相对应，绿色激光器22和蓝色激光器23的输出端与第二半反半透镜31相对应。其中，绿色激光器22和蓝色激光器23呈相互垂直布置，绿色激光器22和蓝色激光器23的输出端对应方向在第二半反半透镜31位置处相交。
半反半透镜3与第二半反半透镜31平行。蓝色激光器23的输出端与半反半透镜3、第二半反半透镜31、棒形透镜4的中心位于同一直线上。
红色激光器21与半反半透镜3间设置有第一聚光透镜211，绿色激光器22与第二半反半透镜31间设置有第二聚光透镜221，蓝色激光器23和第二半反半透镜31间设置有第三聚光透镜231。
可选的，红色激光器21、绿色激光器22和蓝色激光器23之间的位置可相互调换，以提高加工生产时的灵活性。
控制器1对对激光器2进行高速开关控制，通过聚光透镜2、半反半透镜3、棒形透镜4，再经多角反射镜5反射，从而生成激光扫描条纹。
多角反射镜5与控制器1电连接，多角反射镜5相邻位置处设置有平面反射镜51，平面反射镜51与光电二极管6相对并呈倾斜布置，平面反射镜51位于光电二极管6和多角反射镜5之间的位置处。光电二极管6与控制器1电连接；控制器1与高速相机7电连接。
下面是本发明的工作过程说明：
通过激光器2发射激光，经半反透镜3、棒形透镜4和多角反射镜5后，分别投射到平面反射镜51和待测物体8上，投射到平面反射镜51上的激光由光电二极管6接受并反馈给控制器1，由于多角反射镜5处于运动状态，当多角反射镜5处于特定角度时，投射到待测物体8上的激光形成扫描条纹经待测物体8调制后能由高速相机7采集获得。
通过使多角反射镜5主动旋转，使待测物体8表面任意一点、多角反射镜5和高速相机7之间在特定时刻均能形成三角关系，从而保证高速相机7采集的条纹为正弦条纹并且保证正弦条纹的基本傅里叶频谱存在，进而保证三维测量的稳定性。
通过伺服电机调节多角反射镜5的旋转速度，通过控制器调节激光器2的开关频率、高速相机7的曝光时间，使高速相机7采集到由待测物体8调制形成的复合编码条纹，复合编码条纹中条纹相移、条纹周期和条纹色彩等处理算法与各部件逻辑关系如图2所示。
通过相移编码、周期编码和色彩编码等现有条纹编码技术处理，使复合编码条纹需最终转化为二值条纹，再结合控制模型种各器件的参数进行设置形成投射采集。
下面是本发明的工作原理说明：
以红色激光器21为例进行说明，红色激光器21的开关时间调制与高速相机7扫描采集得到的投射条纹的关系如图3所示。其中，ton为红色激光器21打开的时间，TL为红色激光器2的开关周期，p为扫描投射条纹的周期，Δθ为红色激光器2打开时多角反射镜5旋转的角度。结合图1与图2可知，条纹上任意一点相位与偏转角Δθ满足线性关系，从而将任意一点的相位调制进条纹信息中。
通过相移编码、周期编码和色彩编码三步相移，结合彩色编码形成的单幅复合编码二值条纹，结合控制模型的时序控制可实现激光扫描整场投射采集获得。
上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (9)
1.一种激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置，其特征在于，包括控制器，控制器与激光器电连接，激光器输出端对应方向依次设置有半反半透镜、棒形透镜和可旋转的多角反射镜，多角反射镜与控制器电连接，多角反射镜相邻位置处设置有平面反射镜，平面反射镜与光电二极管相对并呈倾斜布置，光电二极管与控制器电连接；控制器与高速相机电连接。
2.根据权利要求1所述的激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置，其特征在于，所述激光器包括红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器，红色激光器输出端与半反半透镜相对应，绿色激光器和蓝色激光器的输出端与第二半反半透镜相对应。
3.根据权利要求2所述的激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置，其特征在于，所述绿色激光器和蓝色激光器相互垂直布置，绿色激光器和蓝色激光器的输出端对应方向在第二半反透镜位置处相交。
4.根据权利要求3所述的激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置，其特征在于，所述半反半透镜与第二半反半透镜平行。
5.根据权利要求4所述的激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置，其特征在于，所述蓝色激光器的输出端与半反半透镜、第二半反半透镜、棒形透镜的中心位于同一直线上。
6.根据权利要求2所述的激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置，其特征在于，所述红色激光器与半反半透镜间设置有第一聚光透镜，绿色激光器与第二半反半透镜间设置有第二聚光透镜，蓝色激光器和第二半反半透镜间设置有第三聚光透镜。
7.根据权利要求1所述的激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置，其特征在于，所述平面反射镜位于光电二极管和多角反射镜之间的位置处。
8.根据权利要求1所述的激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置，其特征在于，所述控制器为高速控制电路。
9.根据权利要求1所述的激光扫描复合编码条纹整场投射与采集装置，其特征在于，所述多角反射镜中部套设有转轴，转轴通过伺服电机与控制器电连接。
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